Строительные материалы

Бетон. Основы бетона и бетоноведения

1. Общие сведения о бетонах

Бетоны являются композиционными материалами, состоящими из двух и более компонентов, каждый из которых в составе композита сохраняет свою индивидуальность (структуру, свойства). Материалы могут быть природного и искусственного происхождения. К природным композитам относятся конгломераты, брекчии, песчаники и др. Бетон наряду с железобетоном, строительными растворами, пластмассами является искусственным композиционным материалом (искусственным строительным конгломератом – ИСК).

По определению СТБ EN 206-1 бетоном называют материал, получаемый путем смешивания вяжущего, крупного и мелкого заполнителя, воды и различных добавок, структура которого формируется вследствие процесса гидратации вяжущего. Однако сегодня под термином «бетон» понимается более широкая гамма различных строительных композитов как гидратационного, так и других видов твердения. Многообразие составляющих бетона (вяжущих веществ, заполнителей, добавок) и технологических приемов позволяет получать бетоны различных видов и с самыми разнообразными свойствами. Композиция этих материалов, рационально составленная и тщательно перемешанная до начала процессов схватывания и твердения, называется бетонной смесью.

В современном строительстве бетоны являются самыми востребованными материалами как конструкционного, так и специального назначения (декоративными, теплоизоляционными, для защиты от радиоактивного воздействия и др.). Им, безусловно, принадлежит лидерство среди других известных человечеству строительных материалов. Именно бетон и изделия на его основе во многом определяют развитие технического прогресса и экономическое благополучие во всех странах мира. Природный камень и бетон являются и самыми долговечными строительными материалами в мире. Кроме того, бетон признается материалом архитектурно-привлекательным и экологически благоприятным (биопозитивным).

Несмотря на целый ряд положительных характеристик, бетон имеет и ряд существенных недостатков, например присущая практически всем разновидностям бетонов неоднородность. Если слово «однородный» и можно применить к бетону, то следует сказать, что он исключительно однороден в своей неоднородности, поскольку представляет собой композицию (систему) из разных по величине и форме зерен мелкого и крупного заполнителя, связанных в произвольную структуру цементным камнем с массой пор, пустот, микротрещин, капилляров, заполненных водой, воздухом и другими компонентами. Недостатком бетона, как и любого каменного материала, является также низкая прочность на растяжение и изгиб, которые в 10–15 раз ниже прочности на сжатие, подверженность коррозии и др. И тем не менее это наиболее используемый материал на стройке.

2. Классификация бетонов

Бетоны классифицируют по структуре, виду вяжущего и заполнителя, условиям твердения, физико-механическим характеристикам, назначению и другим показателям (СТБ 1310, СТБ EN 206-1, ГОСТ 25192). В зависимости от характера структуры различают бетоны плотные, крупнопористые, поризованные и ячеистые (рис. 1).

Бетоны плотной структуры представляют собой конгломерат, в котором пространство между зернами мелкого и крупного заполнителя или только мелкого заполнителя полностью заполнено затвердевшим вяжущим, в том числе с искусственно созданной в объеме не более 7% пористостью за счет применения поризующих добавок (рис. 1, а).

Структура плотного бетона может быть с максимальным насыщением объема крупным заполнителем, т.е. с плотной упаковкой крупного заполнителя, зерна крупного заполнителя могут быть раздвинуты в объеме бетона на значительные расстояния и не взаимодействовать между собой (с «плавающим» крупным заполнителем). В структуре бетона с плотной упаковкой крупного заполнителя цементное тесто заполняет пустоты между зернами заполнителя с незначительной раздвижкой слоя обмазки. Зоны взаимодействия отдельных зерен начинают перекрывать друг друга, возникает трение между ними. Такая структура отличается наибольшей эффективностью, бетонные смеси получаются, как правило, нерасслаиваемыми с заданной подвижностью при минимальном расходе цемента.

У крупнопористых (беспесчаных) бетонов пространство между зернами крупного заполнителя не полностью заполнено затвердевшим вяжущим, в том числе с искусственно созданной пористостью за счет применения поризующих добавок. Вяжущее до превращения в камень лишь обволакивает зерна крупного заполнителя тонким слоем и склеивает их в местах контакта между собой, не заполняя межзерновое пространство (рис. 1, б).

Структура плотного, крупнопористого и ячеистого бетонов

Рис. 1. Структура плотного (а), крупнопористого (б) и ячеистого (в) бетонов

У поризованных бетонов пространство между зернами мелкого и крупного или только мелкого заполнителя заполнено затвердевшим вяжущим с искусственно созданной в объеме более 7% пористостью за счет применения поризующих добавок.

Ячеистые – это бетоны без крупного заполнителя, состоящие из вяжущего вещества, воды, тонкодисперсного компонента и искусственно созданных пор по всему объему в виде ячеек, полученных с помощью газоили пенообразователей (рис. 1, в).

По виду вяжущего бетоны могут быть:

  • на цементных вяжущих – на основе клинкерных цементов;
  • известковых вяжущих (силикатные бетоны) – на основе извести в сочетании с активными гидравлическими (цемент, шлаки, золы) и кремнеземистыми компонентами (песок, минеральные добавки);
  • шлаковых и зольных вяжущих – на основе молотых шлаков и зол с активизаторами твердения (щелочными растворами, известью, цементом или гипсом);
  • гипсовых вяжущих – на основе полуводного гипса или ангидрита гипса (включая гипсоцементно-пуццолановое вяжущее и др.);
  • смешанных вяжущих – на основе двух и более вяжущих веществ (гипсоцементно-пуццолановые, шлакощелочные и др.);
  • специальных вяжущих – битумных, дегтевых, полимерных и др.

По виду заполнителя бетоны могут быть на:

  • плотных (из плотных горных пород или шлаков),
  • пористых (природных и искусственных минеральных),
  • органических (измельченная древесина, стебли хлопчатника или рисовой соломы, костра конопли и льна),
  • специальных заполнителях (обеспечивающих специальные свойства).

По зерновому составу заполнителя различают:

  • мелкозернистые (пескобетоны с крупностью зерен заполнителя до 5 мм);
  • крупнозернистые бетоны (с крупностью зерен более 5 мм).

По условиям твердения бетоны подразделяются:

  • на твердеющие в естественных условиях – без подвода тепла от искусственных источников, с положительной температурой окружающей среды и при обязательной гидроизоляции открытой поверхности бетона на гидравлических вяжущих (как правило, для монолитных конструкций);
  • в условиях тепловлажностной обработки при атмосферном давлении (пропаренные – для изготовления сборных изделий и конструкций) и при давлении выше атмосферного (автоклавного твердения – преимущественно силикатные и ячеистые), – характеризующиеся прямым контактом его поверхности с водяным паром, используемым в качестве теплоносителя;
  • с тепловой обработкой без контакта бетона с паровоздушной средой (в термоформах, кассетных установках, электропрогрев, электрообогрев, электромагнитная обработка и др.). Например, прогрев бетона может осуществляться путем подачи теплоносителя (пара, горячей воды, разогретого масла и др.) в тепловые отсеки (в бортах и поддонах форм, стендах, кассетных установках) или размещения в этих отсеках электронагревателей. Электропрогрев – это когда электрический ток пропускается непосредственно через бетон. В этом случае бетон включается в цепь как сопротивление, и внутри него электрическая энергия преобразуется в тепловую. При этом используется только переменный ток;
  • в условиях отрицательных температур окружающей среды.

По назначению бетоны подразделяют на конструкционные и специальные.

К конструкционным относят бетоны, используемые в несущих и ограждающих конструкциях зданий и сооружений и обеспечивающих главным образом прочность, жесткость, трещиностойкость несущих конструкций (СТБ 1544).

Специальные бетоны предназначены для конструкций, эксплуатируемых в особых условиях или для конструкций специального назначения, к которым относятся конструкционно-теплоизоляционные, теплоизоляционные, жаростойкие, химически стойкие, радиационно-защитные, декоративные, дорожные, гидротехнические и др.

Различают бетоны по средней плотности:

  • тяжелые (обычные) – на плотных крупных и мелких заполнителях со средней плотностью в сухом состоянии в пределах 2000…2600 кг/м3 . По СТБ ЕN 206-1 – нормальный бетон;
  • сверхтяжелые (особо тяжелые, по СТБ EN 206-1 – тяжелые) – со средней плотностью в сухом состоянии более 2600 кг/м3 ;
  • легкие – на пористом крупном и пористом или плотном мелком заполнителе со средней плотностью в сухом состоянии 800 (500)…2000 кг/м3 , в том числе ячеистые бетоны.

По стойкости к видам коррозии различают бетоны, эксплуатируемые в среде:

  • без риска коррозионного воздействия (ХО);
  • вызывающей коррозию под действием карбонизации (ХС);
  • хлоридов (XD);
  • попеременного замораживания и оттаивания (XF);
  • химическую коррозию (XA).

В строительной практике различают также особо легкие бетоны с плотностью до 500 кг/м3 . Кроме того, бетоны подразделяются по прочности, морозостойкости, водонепроницаемости, истираемости и другим показателям.

3. Проектирование состава бетона

Состав бетона выражают либо в виде расхода составляющих материалов по массе на 1 м3 уплотненного бетона, либо отношением массы составляющих к массе цемента, принимаемой за единицу, с указанием водоцементного отношения (В/Ц). Например, 1 : 2,5 : 4,0 при В/Ц = 0,48.

Исходные данные для определения состава бетона содержатся, как правило, в архитектурно-строительной части проекта или задании и включают следующие требования:

  • проектную прочность или класс бетона по прочности;
  • заданную условиями работ удобоукладываемость бетонной смеси;
  • при необходимости требования по водонепроницаемости, морозостойкости или коррозионной стойкости бетона;
  • данные по наибольшей крупности заполнителя, длительности и режиме твердения и др.

Целью проектирования является определение расходов составляющих или их соотношения между собой, при которых будут гарантированы к определенному сроку один или несколько нормируемых показателей (прочность, плотность, водонепроницаемость, морозостойкость, долговечность, защита арматуры от коррозии и др.) с учетом ряда технологических параметров (подвижности, нерасслаиваемости под действием собственной массы и уплотняющих механизмов) и при минимальном расходе цемента, как наиболее дорогостоящего компонента (СТБ 1182, ГОСТ 27006). В строительно-технологической практике наибольшее распространение получили методы проектирования состава бетона по требуемой прочности на сжатии. Это обусловлено тем, что этот показатель является основным для конструкционных и других бетонов и предполагает однозначное влияние прочности на другие необходимые свойства бетона.

Проектирование состава бетона ведется по разработанным методикам и включает:

  • выбор материалов (составляющих) для бетона;
  • получение технических характеристик составляющих бетона;
  • определение предварительного (расчетного) состава бетона;
  • проверку запроектированного состава бетона в пробных замесах;
  • корректировку состава бетона;
  • расчет материалов на замес бетоносмесителя.

Тип цемента следует выбирать с учетом технологии производства работ, реакционной способности заполнителя, вида конструкции и армирования, условий твердения (в частности тепловой обработки), размеров конструкции и назначения сооружения, условий эксплуатации (агрессивности среды) и с учетом требований ГОСТ 30515.

Марку (класс) цемента принимают в зависимости от проектного класса бетона бетонных и железобетонных изделий и конструкций и условий их твердения. При этом необходимо руководствоваться рекомендациями или нормативными документами. Вместе с тем необходимо учитывать, что при использовании цемента, активность которого ниже прочности бетона, потребуется увеличение его расхода. А это приведет к удорожанию, образованию трещин в результате усадки и другим негативным последствиям. Если активность цемента окажется слишком высокой, это может привести к занижению его расхода и цемент может оказаться меньше минимально допустимого, требуемого техническими условиями. В этом случае в цемент можно вводить тонкомолотые добавки.

Выбор мелкого и крупного заполнителя также зависит от требуемой прочности бетона. Чем выше требуемая прочность бетона, тем выше должны быть требования к качеству заполнителей. При этом необходимо стремиться использовать заполнители местные или из близко расположенных карьеров, но отбираются те из них, которые позволяют получить бетон с заданными свойствами при минимальном расходе цемента.

Разработано множество методов проектирования состава бетона, однако стандартного метода, позволяющего получить требуемый результат только с помощью расчета, в настоящее время не существует. Все они являются, как правило, расчетно-экспериментальными и состоят из расчетной части и обязательной экспериментальной проверки и корректировки назначенного состава.

Расчетная часть сводится к определению расхода составляющих по эмпирическим формулам, накопленным таблицам и графикам, выражающим основные зависимости свойств бетона от его состава. При этом различают номинальный (лабораторный) состав, рассчитанный для сухих материалов, и производственный (рабочий, полевой) – для материалов, находящихся в естественно-влажном состоянии. При незначительных объемах или малосерийном нерегулярном производстве конструкций и изделий допускается принимать ориентировочные составы бетонов, которые могут служить основой при назначении рабочего состава с обязательной экспериментальной проверкой и корректировкой.

Рассчитанный состав бетона проверяют путем приготовления пробного замеса бетонной смеси в объеме 7…10 л. Определяют удобоукладываемость бетонной смеси и при удовлетворительном значении изготовляют контрольные образцы для определения прочности. Если удобоукладываемость приготовленной бетонной смеси оказывается меньше требуемой, то добавляют 5…10% воды от массы, использованной на пробный замес. Чтобы не изменилось В/Ц, одновременно добавляют такой же процент цемента. Если удобоукладываемость бетонной смеси оказывается выше заданной, то добавляют одновременно 5…10% мелкого и крупного заполнителя от их расхода на пробный замес, не меняя соотношения между ними. Из бетонной смеси изготавливают бетонные образцы по ГОСТ 10180 и после двухчасовой выдержки подвергают тепловлажностной обработке по режиму 3 + 6 + 2 ч (подъем, изотермический прогрев при 80 °С, остывание), выдержка 4 ч и испытание. Прочность бетона после тепловой обработки должна составлять не менее 70% от заданной. Если полученная при испытании прочность бетона отличается от заданной более чем на 15%, то изменяют В/Ц в большую или меньшую сторону. Можно использовать и другие технологические приемы, вводить добавки и т.д.

Для уточнения состава бетона рекомендуется также готовить по два пробных замеса с изменением водоцементного отношения на 15…30% в большую и меньшую сторону, и производить расчет четырех составов аналогично приведенному выше. Затем из указанных составов готовят контрольные образцы для определения прочности и испытывают их в возрасте 28 сут нормальновлажностного твердения. По результатам испытаний устанавливают зависимость прочности бетона от водоцементного отношения, по которой назначают окончательное В/Ц, обеспечивающее получение бетона требуемой прочности.

Окончательно определенный лабораторный состав бетона, полученный для сухих материалов, пересчитывают на рабочий состав, в котором учтена влажность заполнителей. Для этого рассчитывают количество воды, содержащейся во влажных заполнителях. С целью повышения надежности и безопасности бетонных и железобетонных конструкций и в соответствии с требованиями нормативных документов проводят также статистический контроль прочности бетона с учетом фактической однородности и установлением коэффициента вариации.

Определяют также коэффициент выхода бетонной смеси. Он равняется отношению объема готовой бетонной смеси в уплотненном состоянии к сумме объемов загружаемых в бетоносмеситель твердых компонентов. Для бетонных смесей коэффициент выхода составляет 0,6…0,7, для растворных – 0,75…0,80.

4. Приготовление и транспортирование бетонной смеси

Бетонной смесью называют рационально составленную и однородно перемешанную смесь компонентов бетона до начала процессов схватывания и твердения. Кроме того, бетонная смесь независимо от ее вида должна обладать хорошей удобоукладываемостью, соответствующей применяемому способу укладки, и сохранять при транспортировании и укладке однородность, достигнутую при приготовлении (СТБ 1035).

Приготовление бетонной смеси состоит из подготовки составляющих материалов, их дозирования и перемешивания. По степени готовности бетонные смеси подразделяются на готовые к употреблению (БСГ), частично затворенные (БСЧЗ) и сухие (БСС).

Подготовка составляющих бетонную смесь материалов производится в основном на соответствующих предприятиях. В случае необходимости такие операции могут быть проведены и на месте приготовления бетонной смеси. Они включают в себя дробление заполнителей, удаление загрязняющих примесей, оттаивание и подогрев заполнителей в зимнее время, активацию цемента, приготовление растворов химических добавок и др.

Дозирование материалов осуществляется дозаторами периодического и непрерывного действия с полуавтоматическим или автоматическим управлением. При этом точность дозирования определяет точность расчета состава бетона.

Выбор способа приготовления бетонной смеси определяется видом и характеристикой составляющих ее компонентов. Для этих целей используются бетоносмесители периодического (цикличного) и непрерывного действия. Бетоносмесители периодического действия бывают двух типов: гравитационные (смешивание осуществляется при свободном падении материалов во время вращения барабана смесителя) и принудительного перемешивания.

Перемешивание в бетоносмесителях свободного падения достигается при вращении барабана определенной формы с корытообразными лопастями на внутренней поверхности. Лопасти захватывают составляющие бетонной смеси, поднимают их на некоторую высоту и при переходе в верхнее положение сбрасывают. В результате многократного подъема и падения составляющих обеспечивается их перемешивание. В таких смесителях готовят пластичные бетонные смеси с крупным заполнителем из плотных пород. Некоторые гравитационные смесители устанавливаются на автомашинах – это передвижные смесители, автобетоносмесители, автомиксеры (рис. 2).

Бетоносмесители принудительного перемешивания представляют собой стальные чаши, в которых смешивание компонентов производится вращающимися лопастями, насаженными на вертикальные или горизонтальные валы. На крупных централизованных растворобетонных предприятиях используются турбулентные смесители. В них сырьевые компоненты перемешиваются в различных направлениях и с большой скоростью, что позволяет получать однородные смеси за сравнительно короткий промежуток времени.

Продолжительность перемешивания бетонной смеси зависит от ее состава, характеристик, типа применяемого смесителя и других показателей. При недостаточной продолжительности перемешивания ухудшается однородность бетонной смеси и снижается прочность бетона. Оптимальное время перемешивания тяжелых бетонных смесей составляет 1…2,5 мин, легкобетонных смесей – 2…6 мин.

Передвижной смеситель (автомиксер) и схема перемешивания в нем бетонной смеси

Рис. 2. Передвижной смеситель (автомиксер) (а) и схема перемешивания в нем бетонной смеси (б)

Бетонные смеси готовят, как правило, на центральных автоматизированных заводах, в бетоносмесительных цехах на предприятиях сборного железобетона либо в условиях строительной площадки (приобъектно). Бетонные смеси, приготовленные в стационарных условиях и предназначенные для монолитного строительства, в нашей стране и странах СНГ называют товарным бетоном, за рубежом – готовой бетонной смесью. При этом высококачественный бетон может быть получен только при строгом контроле качества составляющих материалов и процессов приготовления смеси как в условиях стационарного, так и приобъектного производства.

Современный завод товарного бетона – это высокоавтоматизированное производство с минимальным количеством обслуживающего персонала, наличием диспетчерской службы и радиосвязи с автобетоновозами и строительными площадками. Применяются также и спутниковые системы управления, которые позволяют получать разнообразную информацию, в том числе топографическую о местонахождении автомиксера с цветовыми выделениями его состояния: движение в загруженном состоянии, разгрузка, возвращение на завод. Автомиксер, как правило, оборудован датчиками фиксирующими время доставки, время простоя под разгрузкой, превышение которого оплачивается дополнительно заказчиком, время начала и конца разгрузки, другую информацию, в частности температуру смеси и т.п. Среднее расстояние транспортирования бетонной смеси составляет в основном от 10…15 до 50 км.

5. Технологические свойства бетонной смеси

Наиболее важным свойством бетонной смеси является ее удобоукладываемость, или формуемость, т.е. способность смеси растекаться и заполнять заданную форму под действием собственной массы, сохраняя при этом монолитность (связность) и однородность. Для оценки удобоукладываемости бетонной смеси используют такие показатели, как подвижность, жесткость и связность (СТБ 1545, СТБ ЕN 206-1, СТБ ЕN 12350, ГОСТ 7473) (рис. 3).

Подвижность бетонной смеси (СТБ ЕN 12350-2) характеризуется ее способностью растекаться под действием собственной массы и оценивается показателем осадки конуса (ОК, см) и показателем диаметра растекания (расплыва) конуса (РК, см) с помощью стандартного прибора-конуса (конуса Абрамса). Если осадка конуса равна нулю, то удобоукладываемость бетонной смеси характеризуется жесткостью (СТБ ЕN 12350-5).

Жесткость (Ж, с) оценивается временем вибрации, необходимым для выравнивания и уплотнения предварительно отформованного конуса бетонной смеси в приборе для определения жесткости.

Определение удобоукладываемости бетонной смеси

Рис. 3. Определение удобоукладываемости бетонной смесиа – по осадке конуса: 1 – жесткая смесь; 2 – подвижная смесь; ОК – осадка конуса; б – по расплыву конуса (РК); в – по жесткости: 3 – схема испытания жесткости

По СТБ 1035 и СТБ 1544 бетонные смеси в зависимости от удобоукладываемости характеризуются марками, по СТБ ЕN 206-1 – классами (табл. 1 и 2).

Таблица 1. Классификация бетонных смесей по удобоукладываемости (СТБ 1035, СТБ 1544)

По жесткостиПо осадке конусаПо расплыву конуса
маркапоказатель, смаркапоказатель, сммаркапоказатель, см
СЖ3Более 100П11…4РК1Менее 35
СЖ251…100П25…9РК235…41
СЖ141…50П310…15РК342…48
Ж431…40П416…20РК449…55
Ж321…30П521…25РК556…62
Ж211…20РК6Более 62
Ж15…10

Таблица 2. Классификация бетонных смесей по удобоукладываемости (СТБ EN 206-1)

По жесткостиПо пластичностиПо растекаемостиПо степени уплотнения
класспоказатель, скласспоказатель, ммкласспоказатель, ммкласспоказатель, см
V031S110…40F1340C01,46
V130…21S250…90F2350…410C11,45…1,26
V220…11S3100…150F3420…480C21,25…1,11
V310…6S4160…210F4490…550C31,10…1,04
V45…3S5220F5560…620
F6630

Если по результатам испытаний смеси осадка конуса составила марку П4 и выше, то подвижность более целесообразно оценивать показателем расплыва конуса. В условиях строительной площадки определение подвижности и жесткости бетонной смеси должно осуществляться на момент ее применения, а для товарного бетона – на момент поставки. При транспортировании бетонной смеси в автобетоносмесителях или других транспортных средствах с мешалкой контроль бетонной смеси должен осуществляться в начале разгрузки.

Разновидностью высокоподвижных смесей являются самовыравнивающиеся (самоуплотняющиеся) бетонные смеси. Они способны укладываться в опалубку под действием силы тяжести без расслаивания и равномерно распределяться во всем ее объеме при сохранении однородности даже при наличии густорасположенной арматуры. Осадка конуса у таких смесей должна быть не ниже 27 см, а расплыв – не менее 65 см.

Связность (расслаиваемость) – это способность бетонной смеси сохранять однородную структуру, т.е. не расслаиваться в процессе транспортирования, укладки, уплотнения, характеризуется водо- и раствороотделением (%). При водоотделении твердые частицы бетонной смеси сближаются между собой и оседают вниз, а избыток воды, как наиболее легкий компонент, вытесняется вверх, образуя сеть вертикальных капиллярных ходов (пор) и полостей под зернами крупного заполнителя. Водоотделение бетонной смеси определяется после ее отстаивания в цилиндрическом сосуде в течение определенного промежутка времени и характеризуется объемом отделившейся воды (%) от объема бетонной смеси.

При раствороотделении крупный заполнитель (если плотный и тяжелый – например, гранитный щебень) оседает вниз, а растворная составляющая вытесняется вверх. У бетонов на пористых заполнителях (керамзит, аглопорит) происходит обратный процесс. При транспортировании и уплотнении бетонной смеси пористые заполнители всплывают на поверхность. Раствороотделение определяется после вибрирования бетонной смеси в мерной форме в течение определенного времени и характеризуется отношением растворных составляющих соответственно в верхней и нижней половинах образца (%).

Водо- и раствороотделение нарушает однородность структуры бетона, повышает водопроницаемость, снижает морозостойкость и истираемость. Чтобы повысить связность и предотвратить расслоение бетонной смеси, необходимо правильно назначать соотношение мелкого и крупного заполнителей в составе бетона и сокращать расход воды затворения, используя пластифицирующие добавки, а также специальные стабилизирующие добавки.

Сохраняемость удобоукладываемости бетонной смеси определяется временем, в течение которого смесь в процессе своего выдерживания после окончания перемешивания теряет удобоукладываемость в пределах диапазонов марок или классов, указанных в табл. 1 и 2. Потеря удобоукладываемости бетонной

смеси зависит в основном от свойств цемента и заполнителей, наличия добавок, температуры окружающей среды и других факторов. По сохраняемости удобоукладываемости бетонные смеси делят на группы (S-1…S-4).

6. Влияние различных факторов на удобоукладываемость бетонных смесей

К факторам, влияющим на удобоукладываемость бетонной смеси, относятся вязкость цементного теста, вид и соотношение мелкого и крупного заполнителей, отношение объема цементного теста к объему заполнителя, условия приготовления, температура и время выдержки бетонной смеси от момента затворения и др. Вязкость цементного теста определяется водоцементным отношением, видом цемента, тонкостью помола, химико-минералогическим и вещественным составом цемента, наличием добавок. Вид заполнителя определяется максимальным размером зерен, зерновым составом, содержанием мелких частиц и пористостью.

Вид цемента. Бетонные смеси одного и того же состава, но на разных видах цемента обладают, как правило, разной подвижностью или требуют разного расхода воды затворения, т.е. характеризуются разной водопотребностью. Зависит это прежде всего от водопотребности цемента, которая характеризуется нормальной густотой цементного теста. Чем она выше (больше), тем меньше подвижность или больше жесткость бетонной смеси при прочих равных условиях. Увеличение нормальной густоты цемента на 1% повышает водопотребность бетонной смеси на 1,5…3%. По этой причине бетонные смеси на портландцементах с минеральными добавками (на пуццолановом, шлакопортландцементе) и с активной кремнеземистой добавкой могут иметь подвижность меньшую, чем смеси на портландцементах без добавок или меньшего их содержания. В целом ряде случаев даже при одинаковой нормальной густоте цементов водопотребность бетонных смесей на различных вяжущих может отличаться на 5…10%, что объясняется дополнительным влиянием их минералогического состава и тонкости помола.

Расход цемента. Увеличение расхода только цемента, при неизменном расходе воды, приводит к увеличению вязкости цементного теста, а следовательно, и к снижению подвижности бетонной смеси, но одновременно увеличивается объем цементного теста и имеет место дополнительная «раздвижка» зерен заполнителя, что способствует росту подвижности. В результате подвижность бетонной смеси изменяется незначительно. Существенный ее рост обеспечивается одновременным увеличением расхода цемента и воды при сохранении постоянной величины водоцементного отношения бетона, как одного из базовых факторов, определяющих его прочностные и эксплуатационные характеристики.

Содержание воды. Всю воду, необходимую для затворения бетонной смеси, условно можно разделить на две части: одна часть расходуется на смачивание частиц цемента и образование пластичного цементного теста, другая – на смачивание поверхности зерен заполнителя и впитывание ее порами заполнителей. С увеличением содержания воды при неизменном расходе цемента уменьшается структурная вязкость цементного теста и бетонной смеси, и следовательно, меньше следует прилагать усилий для перемещения заполнителей с целью их плотной упаковки. В результате подвижность бетонной смеси возрастает, но при этом увеличивается водоцементное отношение, растет пористость и уменьшается прочность бетона. Поэтому неконтролируемо увеличивать содержание воды в бетонной смеси не рекомендуется. Кроме того, бетонная смесь разных составов обладает и определенной водоудерживающей способностью. При повышенном содержании воды часть ее отделяется от бетонной смеси, скапливаясь на поверхности конструкций, что недопустимо, так как ухудшаются все физико-технические свойства бетона.

Водоцементное отношение. При водоцементном отношении (В/Ц) бетонной смеси, соответствующем количеству химически связываемой воды (15…20%), бетонная смесь оказывается неудобоукладываемой, что неизбежно приведет к образованию технологической пористости (пустотности) из-за недоуплотнения бетона при формовании и снижению прочности. По мере увеличения В/Ц (вплоть до оптимального значения) удобоукладываемость бетонной смеси повышается, возрастает плотность и прочность бетона. Дальнейшее повышение В/Ц сверх оптимального приведет к росту пористости, расслоению бетонной смеси (водо- и раствороотделению) и снижению прочности. Как уже отмечалось, с одновременным увеличением содержания цемента и воды при неизменном В/Ц растет объемное содержание цементного теста в бетонной смеси. В этом случае оно не только заполняет пустоты и обволакивает зерна заполнителей, но и раздвигает их, создавая между ними прослойки, способствующие повышению удобоукладываемости смеси.

Содержание цементного теста. Цементное тесто выполняет двойную роль в обеспечении удобоукладываемости бетонной смеси:

  • отделяет частицы заполнителя друг от друга и предотвращает их взаимный контакт. В результате уменьшается трение между зернами заполнителя, что приводит к повышению подвижности бетонной смеси;
  • являясь материалом с вязкими свойствами, наделяет бетонную смесь способностью к пластическим деформациям.

Если для приготовления бетона плотной структуры цементного теста взять в количестве необходимом только для заполнения пустот между зернами заполнителя, то такая бетонная смесь получится достаточно жесткой и неудобоукладываемой. Для того чтобы получить подвижную бетонную смесь, необходимо не только заполнить пустоты между зернами заполнителя, но и раздвинуть их прослойками цементного теста. В зависимости от вида, свойств заполнителей и соотношения между мелким и крупным заполнителем минимальное содержание цементного теста в 1 м3 бетонной смеси, обеспечивающее ее нерасслаиваемость и качественное уплотнение, должно составить: в жестких бетонных смесях 180…200 л, в подвижных и литых – 220…270 л, что соответствует (в соответствии с действующими нормативами) наименьшему расходу цемента 200…220 кг/м3 . С увеличением содержания цементного теста сверх оптимального при постоянном В/Ц или с уменьшением количества заполнителей подвижность бетонной смеси возрастает, а прочность бетона при этом остается практически неизменной.

Содержание растворной части. Увеличение содержания растворной части в бетонной смеси сверх объема пустот крупного заполнителя приводит к образованию вокруг зерен крупного заполнителя пластичных оболочек, облегчающих их взаимное перемещение при укладке и уплотнении смеси. Если же содержание растворной части ограничивается объемом пустот крупного заполнителя, то многочисленные контакты между его зернами создают большое сопротивление при деформировании бетонной смеси, а следовательно, делают смесь более жесткой и менее удобоукладываемой. Поэтому объем растворной части в бетонной смеси назначается, как правило, несколько большим, чем объем пустот крупного заполнителя, что и учитывается при подборе составов коэффициентом раздвижки зерен – α. Увеличение объема растворной части сверх оптимального приведет к большему расходу цемента и удорожанию бетона.

Содержание заполнителей. Подвижность бетонной смеси зависит от содержания мелкого и крупного заполнителя или их соотношения между собой. Требуемая подвижность достигается при некотором оптимальном их соотношении, устанавливаемом опытным путем. В общем случае с ростом содержания в смеси заполнителей доли крупного (щебня, гравия) и снижении доли мелкого (песка) ее удобоукладываемость (или формуемость) ухудшается, т.е. снижается подвижность (осадка и расплыв конуса) или возрастает жесткость.

Вместе с тем при содержании песка (особенно мелкозернистого) в смеси заполнителей сверх оптимального значения подвижность бетонной смеси (при прочих равных условиях) уменьшается вследствие возрастания суммарной поверхности зерен заполнителя, поскольку значительная часть воды расходуется на смачивание этой поверхности.

Крупность заполнителей. С увеличением крупности заполнителей суммарная поверхность их уменьшается. Воды на смачивание поверхности такого заполнителя уходит меньше, а следовательно, больше воды остается в цементном тесте, что делает его более пластичным, а бетонную смесь – более подвижной. Кроме того, с увеличением крупности заполнителей и уменьшением их суммарной поверхности прослойки цементного теста (при неизменном расходе цемента) на зернах оказываются толще, что в свою очередь тоже увеличивает подвижность бетонной смеси. Мелкозернистые пески, пыль, глинистые, илистые и другие мелкие загрязняющие примеси увеличивают суммарную поверхность заполнителя и, как правило, снижают подвижность бетонной смеси.

Форма и характер поверхности зерен заполнителя. При округлой и гладкой поверхности зерен заполнителя суммарная поверхность их и трение между ними меньше, чем при острогранной форме и шероховатой поверхности. Следовательно, при прочих равных условиях бетонные смеси на природном гравии и окатанном песке подвижнее, чем смеси на щебне и горном или дробленом песке. Замена гравия щебнем той же фракции несколько увеличивает водопотребность бетонной смеси, соответственно снижая ее подвижность. Пористые заполнители, характеризующиеся большим водопоглощением, требуют увеличения расхода воды затворения. В противном случае это приведет к снижению подвижности бетонной смеси.

Другие факторы. Подвижность бетонной смеси закономерно снижается с течением времени ее хранения (транспортирования) и с повышением температуры окружающей среды и собственно смеси. Причинами являются развитие реакций взаимодействия цемента и воды, а также частичное испарение последней. Особенно нежелательно это явление для жестких бетонных смесей. Поэтому их необходимо укладывать в форму (опалубку) как можно быстрее.

Эффективными регуляторами подвижности бетонной смеси и сохранения ее во времени являются пластифицирующие добавки и добавки-замедлители схватывания. Следует учитывать, что в жестких бетонных смесях эффективность действия пластификаторов несколько меньше, чем в подвижных, так как со снижением количества воды затворения проявление эффекта пластификации понижается.

Выбор степени подвижности бетонной смеси. Наиболее экономичными являются, как правило, бетонные смеси минимально необходимой удобоукладываемости, так как на эти составы бетона заданной прочности требуются наименьшие расходы цемента. Исходя из этого условия, подвижность бетонной смеси следует выбирать более низкую из допустимых, но в то же время она должна обеспечить качественную укладку бетона в опалубку.

При выборе степени подвижности (удобоукладываемости, формуемости) бетонной смеси учитывают размеры, вид и сложность конфигурации форм (опалубок) бетонируемой конструкции, степень (коэффициент или густоту) армирования, способы укладки и уплотнения бетонной смеси и другие факторы. В зависимости от перечисленных и других показателей подвижность бетонной смеси расчитывают или назначают по разработанным и приведенным в методиках подбора состава бетона таблицам. Для всех известных и применяемых методов подбора состава бетона обязательна практическая проверка удобоукладываемости (формуемости) смеси расчетного состава.

7. Твердение бетона и уход за ним

Уложенная в опалубку бетонная смесь в результате взаимодействия цемента с водой постепенно твердеет, переходит в камневидное состояние и бетон набирает прочность. Твердение происходит при определенных температурно-влажностных условиях. Для протекания нормального процесса твердения бетона необходима теплая и влажная среда – температура +20 (±3) °С и относительная влажность не менее 90%. Такие условия твердения называют нормально-влажностными. С повышением температуры до 70…90 °С и максимальной влажности (в пропарочных камерах) или при температуре 175 °С и в среде насыщенного водяного пара высокого давления (автоклавах) интенсивность набора прочности еще больше возрастает (рис. 4, 5).

Важным условием нормального твердения бетона является влажность среды. Во влажных условиях твердения (а еще лучше в воде) цементный бетон набирает большую прочность, чем при твердении на воздухе. При испарении влаги из бетона его твердение замедляется и может вовсе прекратиться. При температуре 15 °С и ниже процесс твердения замедляется, а при температуре близкой к нулю – практически прекращается.

Интенсивность набора прочности различных видов бетона в течение 28 сут

Рис. 4. Интенсивность набора прочности различных видов бетона в течение 28 сут1 – нормально-влажностного твердения; 2 – предварительно пропаренного; 3 – после автоклавного твердения

Нарастание прочности бетона во времени

Рис. 5. Нарастание прочности бетона во времени1 – во влажных условиях твердения; 2 – в сухих условиях твердения

Бетон, твердеющий в нормально-влажностных условиях, набирает прочность достаточно длительное время. Наиболее интенсивно рост прочности наблюдается в ранние сроки твердения. Бетон из пластичных смесей на портландцементе через 3 сут нормального твердения набирает до 30…50% от 28-суточной прочности, а через 7…14 сут – 60…90%. В зависимости от скорости набора прочности в ранние сроки твердения различают быструю, среднюю, медленную и очень медленную динамику прочности. Оценочным показателем динамики набора прочности является отношение средней прочности на сжатие в возрасте 2 сут к средней прочности на сжатие в возрасте 28 сут. По динамике набора прочности определяют период выдержки бетона (отрезок времени, за который бетонная смесь, уложенная в опалубку, переходит в твердофазное состояние, т.е. бетон приобретает вполне конкретные и стабильные физико-механические свойства) и продолжительность последующей обработки.

В последующем интенсивность набора прочности снижается, но при достаточной влажности окружающей среды нарастание прочности продолжается годами и даже десятилетиями. Через 2 мес. твердения в нормально-влажностных условиях прочность бетона повышается (по сравнению с 28-суточной) примерно на 25%, 3 мес. – 35…38%, 6 мес. – 50…55%, через 1 год – 75%, 2 года – до 200%, 3 года ≈ 200…250%. Рост прочности бетона во времени обусловлен снижением его пористости за счет повышения степени гидратации цемента и развития ряда процессов, приводящих к росту плотности и прочности цементного камня и сил сцепления его с зернами заполнителя в бетоне.

В среднем нарастание прочности бетона во времени можно определить (прогнозировать) по логарифмической зависимости

Rn = R28 · lgn / lg28,

где Rn и R28 – предел прочности бетона при сжатии в возрасте соответственно n и 28 сут; n – срок твердения бетона (сут) (при n > 3).

Уход за бетоном во время твердения и эксплуатации конструкций заключается в создании нормальных температурновлажностных условий, способствующих процессам гидратации цемента, включая контроль за температурой и влажностью, особенно на ранних стадиях твердения, когда бетон интенсивно набирает прочность. Способ и режимы ухода за бетоном определяются видом конструкции, требованиями, предъявляемыми к бетону, типом цемента, климатическими условиями и др. Открытые поверхности конструкций из свежеуложенного бетона защищают от испарения влаги – покрывают пленками, песком, опилками, мешковиной, периодически увлажняя их.

Продолжительность ухода зависит от типа цемента и климатических условий. За бетонами на медленно твердеющих цементах продолжительность ухода должна составлять не менее 14 сут, на обычных портландцементах – до 7 сут, быстротвердеющих – 2…3 сут. В сухую погоду открытые поверхности поддерживают во влажном состоянии до достижения бетоном 50…70% проектной прочности.

Уход за бетоном в зимнее время заключается в создании положительной температуры твердения, исключающей замерзание бетона в раннем возрасте до достижения им к моменту замерзания 50% и более проектной прочности. Для ускорения процессов твердения применяют цементы с повышенным выделением тепла и быстротвердеющие, химические добавки (ускорители твердения, противоморозные), тепловую обработку (электропрогрев, контактный обогрев, метод термоса) и др.

8. Свойства затвердевшего бетона

При проектировании бетонных и железобетонных конструкций основными расчетными характеристиками являются прочность на сжатие и растяжение, морозостойкость, водонепроницаемость и др. При этом немаловажными качественными показателями, определяющими как прочность, так и долговечность конструкций из бетона, являются усадка, набухание, плотность и пористость.

Усадка и набухание. Процесс твердения большинства вяжущих, а следовательно, и композиционных материалов на их основе (бетонов), сопровождается изменениями объема. Эти изменения, в том числе линейные деформации, сопровождаются возникновением значительных напряжений в бетоне, которые становятся (особенно, в начальные сроки твердения) больше предела прочности при растяжении и вызывают образование микро- и макротрещин.

Изменение объема вызывается физико-химическими процессами, развивающимися в бетоне при твердении и изменении влажности, и зависит от состава бетона, свойств составляющих и условий твердения. Наиболее существенным является уменьшение объема при твердении в атмосферных условиях или при недостаточной влажности окружающей среды, получившего название – усадка бетона, состоящая из влажностных, контракционных и карбонизационных деформаций, названных так по виду определяющих это явление факторов. Наибольшие напряжения возникают при влажностной усадке, которая составляет 0,2…0,4 мм/м к годичному возрасту.

Усадка поверхностных слоев бетона всегда выше, чем внутри конструкции. Массивный бетон вначале высыхает снаружи, а внутри он еще значительное время остается влажным. Неравномерность высыхания слоев вызывает растягивающие напряжения в наружных слоях конструкции. Если бетон еще не набрал достаточной прочности, будут появляться так называемые усадочные трещины. Они, как правило, появляются при твердении, если скорость испарения влаги с поверхности бетона превышает скорость выделения воды из массы бетона, что приводит из-за уменьшения объема поверхностного слоя к растрескиванию и образованию микротрещин. Усадка цементного камня может вызвать появление трещин и внутри бетона (конструкции) – на контакте с заполнителем, в самом цементном камне. Усадка увеличивается при повышении содержания цемента и воды, применении высокоалюминатных цементов, мелкозернистых и пористых бетонов, использовании мелкозернистых песков, повышенном содержании пылевидных фракций в заполнителях.

Поскольку наибольшую усадку в бетоне имеет цементный камень, то для снижения усадочных напряжений и сохранения монолитности конструкций необходимо стремиться к уменьшению до рационального содержания цементного камня и увеличению доли заполнителя. Увеличение содержания заполнителя не только уменьшает количество цементного камня в единице объема, но и образует своеобразный каркас из зерен заполнителя, препятствующий усадке. Поэтому усадка бетона всегда меньше усадки цементного камня.

При твердении бетона в воде или во влажных условиях уменьшение объема, как правило, не наблюдается, а в ряде случаев происходит его незначительное расширение, называемое набуханием. Набухание тоже сопровождается возникновением напряжений в его объеме, но меньшей интенсивности. Поскольку вследствие усадки и набухания бетона в конструкциях возникают напряжения, то с целью предотвращения неконтролируемого образования трещин в изделиях большой протяженности устраивают так называемые деформационные (усадочные) швы.

Плотность и пористость. Истинная плотность бетона составляет 2,6…2,7 г/см3 , за исключением особо тяжелых бетонов. Средняя плотность бетонов зависит от вида заполнителя, структуры бетона и может находиться в пределах 250…5000 кг/м3 и более. Высокой плотности бетона можно достичь рациональным подбором зернового состава заполнителей (с минимальной пустотностью), применением бетонных смесей с низким В/Ц отношением, интенсивным уплотнением, введением добавок и т.д.

Однако даже выполнение всех этих мероприятий не приведет к получению абсолютно плотного бетона.

Образование пористости наблюдается в результате наличия и испарения воды, не вступившей в химическую реакцию с цементом при его твердении. При этом воды химически связывается менее 20% от массы цемента. Фактическое же содержание воды в бетоне для обеспечения его удобоукладываемости составляет порядка 40…70% от массы цемента и более. Излишек воды над требуемым на гидратацию цемента приводит к образованию пор. Они образуются в бетоне также вследствие воздухововлечения при приготовлении (перемешивании) смеси и неполного удаления пузырьков воздуха при уплотнении. Некачественное уплотнение также может вызвать образование дополнительной пористости.

Прочность бетона. Различают прочность бетона на сжатие и растяжение, но чаще всего подразумевают его прочность на сжатие, так как она является определяющей характеристикой качества. Определяют прочность бетона (СТБ ЕN 13791, ГОСТ 18105) по результатам испытаний стандартных образцов, твердеющих в нормальных условиях в течение 28 сут (для отдельных видов бетона – в течение 180 сут). По прочности на сжатие, растяжение и другим показателям бетоны подразделяются на классы. В нашей стране наряду с классами используется и прежняя характеристика прочности бетона на сжатие – марка.

На прочность бетона оказывают влияние различные факторы.

Водоцементное отношение и водосодержание. Зависимость прочности бетона от водоцементного отношения вытекает из физической сущности формирования структуры бетона. Для получения удобоукладываемой бетонной смеси В/Ц обычно составляет 0,40…0,70, в то время как для химического взаимодействия цемента с водой требуется воды не более 20% от массы цемента. Поэтому с увеличением В/Ц увеличивается содержание воды в бетоне. Избыточная вода, не вступившая в химическое взаимодействие с цементом, испаряется из бетона, образуя в нем капиллярные поры. А это ведет к снижению плотности и соответственно прочности бетона.

Однако зависимость прочности бетона от его водоцементного отношения выполняется лишь в определенных пределах. Для каждой бетонной смеси имеется оптимальное количество воды, которое позволяет получать при данном способе уплотнения бетон плотной структуры с минимальной пористостью и наибольшей прочностью. Снижение В/Ц по сравнению с оптимальным до определенного предела может привести к увеличению прочности при усиленном уплотнении бетонной смеси. Однако излишнее снижение В/Ц может привести к получению очень жесткой неудобоукладываемой бетонной смеси. В результате плотно уложить такую бетонную смесь не представится возможным. В изделиях из такого бетона образуется множество крупных воздушных пустот, полостей, неплотностей, и прочность резко понизится.

Расход цемента. Для каждого состава бетона имеется оптимальный (расчетный) расход цемента, обеспечивающий качественное обволакивание зерен заполнителя цементным тестом и полное заполнение им межзерновой пустотности. При снижении расхода цемента по отношению к расчетному объема цементного теста окажется недостаточно для получения бетона плотной структуры и прочность бетона понизится. Увеличение расхода цемента сверх расчетного при неизменнм В/Ц практически не приводит к увеличению прочности бетона. Наоборот, при значительном увеличении расхода цемента над рациональным, объем цементного камня в бетоне увеличится, что приведет к повышенной усадке, трещинообразованию и возможному снижению не только прочности, но и эксплуатационных свойств бетона (морозостойкости, коррозионной стойкости, истираемости и др.).

Активность цемента. С повышением активности цемента прочность цементного камня увеличивается, а следовательно, увеличивается и прочность бетона и наоборот.

Прочность заполнителей. Крупный заполнитель создает в бетоне каменный скелет (каркас) и поэтому играет существенную роль в формировании прочности. Мелкий заполнитель (песок), располагаясь между зернами крупного, оказывает дополнительное влияние на поведение бетона под нагрузкой, а следовательно, и на его прочность. В целом же прочность заполнителей из плотных горных пород в определенных пределах оказывается, как правило, заведомо выше проектируемого класса бетона и прочности цементного камня и поэтому не оказывает существенного влияния на прочность бетона. Если же применять низкопрочные заполнители, то это может существенно снизить прочность бетона и потребует увеличения расхода цемента.

Вид заполнителя. Важную роль в формировании прочности бетона играет шероховатость поверхности заполнителя. Например, в отличие от гравия, зерна щебня имеют развитую шероховатую поверхность, чем обеспечивается лучшее сцепление с цементным камнем. В результате бетон, приготовленный на щебне при прочих равных условиях, будет иметь большую прочность, чем бетон на гравии. Аналогичное влияние на прочность бетона оказывает и состояние поверхности мелкого заполнителя. Кроме приведенных, значительное влияние на прочность бетона оказывают также качество приготовления (однородность) бетонной смеси, степень уплотнения (характеризуется средней плотностью бетона), условия и продолжительность твердения и другие факторы.

Марки и классы бетона. Марка бетона по прочности на сжатие оценивается по среднему арифметическому значению без учета однородности результатов испытания образцов (кубов с ребром 150 мм) данного бетона в возрасте 28 сут нормально-влажностного твердения и является округленным значением прочности (кгс/см2), причем округление идет всегда в меньшую сторону. При обозначении марки используется индекс «М». В зависимости от среднего значения прочности бетоны подразделяются на марки:

  • легкие – М5, М10…М35, М50, М100…М400 и М500;
  • тяжелые – М50, М100…М500…М800 и выше (через 100 кгс/см2).

Например, марка бетона М350 означает, что его средняя прочность составляет не менее 35 и не более 40 МПа. Марка использовалась при подборе состава бетона и контроле его прочности на производстве. Однако с 01.01.1983 г. (СТ СЭВ 1406) марка бетона в старом понятии потеряла физический смысл.

Характерной особенностью бетона является неоднородность его свойств, в том числе и прочности на сжатие. Объясняется это изменением (колебанием) свойств его составляющих (мелкого и крупного заполнителей и цемента), отклонениями в режимах приготовления, транспортирования, укладки (степени уплотнения) и в условиях твердения. Всего насчитывается более 50 факторов, которые могут повлиять на прочность бетона, учесть которые при проектировании состава бетона и изготовлении образцов или конструкций практически невозможно. Все это и приводит к разбросу значений при определении прочности даже одного и того же состава и не позволяет абсолютно достоверно оценить качество бетона только показателем его средней прочности. Известно, что чем выше культура производства (лучше качество подготовки составляющих, приготовления и укладки бетонной смеси), тем меньше будут возможные колебания прочности бетона.

Следовательно, для нормирования прочности необходимо использовать такую стандартную характеристику, которая гарантировала бы получение бетона заданной прочности с учетом возможных ее колебаний. Показателем, который учитывает возможные колебания качества бетона (однородность), является класс прочности бетона, соответствующий значениям гарантированной прочности с обеспеченностью не менее 95%. Для выполнения гарантированной обеспеченности требуемую прочность назначают в зависимости от значения фактического коэффициента вариации из условия получения обеспеченности нормативного сопротивления не ниже 95% и одновременно обеспеченности расчетного сопротивления не ниже 99,8%. Коэффициент вариации определяется на основе данных статистического анализа и равен отношению среднеквадратического отклонения отдельных результатов испытаний к средней прочности бетона. Чем меньше значение коэффициента вариации, тем более однороден по свойствам бетон, а следовательно, и выше его качество. В идеальном случае коэффициент вариации может быть равен нулю. Считается, что если коэффициент вариации не превышает 10%, то бетон достаточно однороден.

В производственных условиях значения коэффициента вариации могут изменяться от 5…7% (на предприятиях с хорошей организацией технологического процесса) до 20…25%. Строительными нормами и действующими стандартами принят нормативный коэффициент вариации прочности бетона равный 13,5%, характеризующий технологию бетонных работ как удовлетворительную (СНиП 52-01-2003). При превышении значения в 16% следует останавливать производство и принимать меры по налаживанию его технологии.

Таким образом, класс бетона по прочности на сжатие – это нормативная прочность (МПа), задаваемая с гарантированной обеспеченностью (доверительной вероятностью) 0,95 (при нормативном коэффициенте вариации 13,5%). Это значит, что установленная классом прочность бетона при сжатии обеспечивается не менее чем в 95 случаях из 100. В соответствии с действующими нормативными документами в Республике Беларусь различают классы конструкционных бетонов (СТБ 1544. Бетоны конструкционные тяжелые) и классы других видов бетона (ГОСТ 26633, ГОСТ 25485, СТБ 1187).

Класс конструкционных бетонов по прочности на сжатие (СТБ 1544-2005, СТБ EN 206-1-2009) обозначается буквой С (от англ. concrete – бетон) и числами: над чертой – выражающими значение нормативного сопротивления осевому сжатию (fck, МПа), под чертой – гарантированной прочности на осевое сжатие ( fGc·cube , МПа), т.е.

где f – прочность; с – бетон, сжатие; k – нормативное значение; G – гарантированное.

Нормативное сопротивление осевому сжатию (fck, МПа) устанавливается при испытании призм или цилиндров размером 150×300 мм с учетом статистической изменчивости при обеспеченности 0,95, которое допускается принимать равным

fck = 0,8  fGc·cube (СТБ ЕN 12390). Гарантированная прочность бетона на осевое сжатие ( fGc·cube , МПа) определяется при осевом сжатии кубов размером 150×150×150 мм с учетом статистической изменчивости при обеспеченности 0,95, гарантируемая производителем в соответствии с действующими стандартами. В настоящее время соответствие требуемому классу бетона по прочности на сжатие устанавливают, определяя гарантированную прочность бетона  fGc·cube обработкой результатов испытаний по ГОСТ 18105.

Точность вычисления составляет 0,1 МПа при испытании на сжатие и 0,01 МПа – на растяжение каждого образца.

Класс по прочности на сжатие других видов бетона обозначается латинской буквой В, справа от которой записывают его прочность на сжатие (МПа) (ГОСТ 26633). Например, у класса бетона В15 значение предела прочности на сжатие не ниже 15 МПа с гарантированной обеспеченностью 0,95, т.е. при определении предела прочности бетона при сжатии при испытании образцов или на любом произвольно взятом участке конструкции будет получен результат 15 МПа и выше, и лишь в 5% случаев можно ожидать значения менее 15 МПа. Следовательно, соотношение между классами и марками бетона неоднозначно и зависит от однородности бетона, оцениваемого коэффициентом вариации.

Для перехода от класса бетона (B) к средней прочности (R) при нормативном коэффициенте вариации 13,5% (принимаемом при проектировании конструкций из тяжелого и легкого бетонов) можно использовать формулу

R = B / (1 – t v), или R = В / 0,778,

где t – коэффициент Стъюдента (равный 1,64), характеризующий принятую при проектировании обеспеченность 0,95; v – коэффициент вариации прочности бетона, который принимается равным 0,135.

Таким образом, класс бетона одной и той же марки существенно увеличивается, если снижать коэффициент вариации. Например, при марке по прочности на сжатие М300 и коэффициенте вариации 18% получают бетон класса В15, а при коэффициенте вариации 5% – класса В20, т.е. на целую ступень выше. С уменьшением коэффициента вариации уменьшается и величина средней прочности бетона. Для обеспечения класса В10 при коэффициенте вариации 13,5% требуется средняя прочность бетона 12,85 МПа, а при коэффициенте вариации 7% – средняя прочность может составить 11,3 МПа. Все это указывает на необходимость при производстве бетонных работ тщательного выполнения всех технологических рекомендаций, повышения технического уровня и культуры производства.

Прочность бетонов на осевое растяжение и растяжение при изгибе значительно меньше, чем прочность на сжатие. Численное значение прочности возрастает при повышении класса бетона по прочности на сжатие, однако увеличение сопротивления растяжению замедляется в области высокопрочных бетонов. Как правило, предел прочности при растяжении составляет 1/10…1/17, а предел прочности при изгибе – 1/6…1/10 предела прочности при сжатии. Для повышения несущей способности, в особенности при изгибе и растяжении, бетон сочетают со стальной арматурой, изготовляя железобетонные конструкции, в которых растягивающие усилия воспринимает арматура.

Морозостойкость бетона зависит главным образом от его структуры и качества применяемых материалов. Морозостойкими оказываются, как правило, бетоны высокой плотности, а структура их должна содержать минимум капиллярных сообщающихся пор. Повышению морозостойкости способствует сокращение водопотребности бетонной смеси, увеличение интенсивности уплотнения, применение пластифицирующих добавок. Цемент не должен содержать тонкомолотых добавок, повышающих его водопотребность (трепел, опока); тонкость помола находится в пределах 2800…3300 см2/г, а содержание трехкальциевого алюмината ограничивается 5…8%. Необходимо применять чистые с минимальным количеством примесей заполнители, а морозостойкость их должна быть не ниже требуемой для бетона в целом. Повышению морозостойкости способствует создание в бетоне с помощью воздухововлекающих добавок резервного объема воздушных пор, не заполняемых при обычном водонасыщении бетона, но доступных для проникновения воды под давлением, возникающем при замерзании. Повышает морозостойкость бетона и создание необходимых температурно-влажностных условий для более полной гидратации цемента.

Для бетонов конструкций установлены следующие марки по морозостойкости: F25, F35, F50, F75, F100, F150, F200, F250, F300, F400, F500, F600, F800, F1000.

Марка бетона по морозостойкости характеризуется количеством циклов попеременного замораживания и оттаивания, которое выдерживают образцы в условиях стандартных испытаний по ГОСТ 10060, сохраняя первоначальные физико-механические свойства в нормированных пределах (допустимые потери массы и прочности), т.е. в соответствии с требованиями нормативных документов на конкретный вид бетона. Морозостойкость бетона может быть определена и ускоренными методами: по накоплению остаточных деформаций, замораживанию при температуре 50±2 °С и компенсационному фактору.

Плотный бетон при мелкопористой структуре и достаточной толщине конструкции оказывается практически водонепроницаемым. Водопроницаемость бетона зависит от проницаемости цементного камня, заполнителя и контактной зоны, т.е. основными путями фильтрации воды через толщу бетона могут быть зоны контакта между заполнителем и цементным камнем, микротрещины в цементном камне, дефекты в зоне сцепления бетона со стальной арматурой.

Для бетонов конструкций, к которым предъявляются требования по ограничению проницаемости воды или повышенной плотности и коррозионной стойкости, установлены марки по водонепроницаемости: W2, W4, W6, W8, W10, W12, W14, W16, W18, W20 (ГОСТ 26633).

Марка бетона по водонепроницаемости характеризуется максимальной величиной давления воды (в атмосферах или кгс/см2), при которой не наблюдается ее просачивания через образцы, изготовленные в соответствии с требованиями ГОСТ 12730.5 (образец-цилиндр диаметром и высотой 15 см). Повысить водонепроницаемость можно как на стадии приготовления, укладки и твердения бетонной смеси, так и у затвердевшего бетона. К способам повышентия водонепроницаемости можно отнести применение бездобавочных цементов более высокой активности и качественных заполнителей, снижение В/Ц отношения, интенсивных способов уплотнения бетона, создание благоприятных условий твердения, применение высококачественных пластифицирующих и специальных (цементирующих структуру) химических добавок и др. Основным способом повышения водонепроницаемости затвердевшего бетона является обработка его поверхности гидрофобизирующими веществами, а также пропитка мономерами с последующей их полимеризацией в порах бетона.

 

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *